Guide de l'impression 3D flexible : comparaison des processus, des matériaux et des applications

L'impression 3D FDM, dans laquelle une buse fait fondre une bobine de filament en plastique dur et l'extrude à travers une buse pour fabriquer la forme couche par couche, est peut-être le type d'impression 3D le plus connu en raison de son prix d'entrée de gamme peu élevé et de sa technologie facile d'accès. Il existe de nombreux types de matériaux FDM, qui offrent de nombreux types de filaments flexibles.

Les avantages de l'impression 3D FDM avec du filament flexible sont que vous pouvez facilement et à peu de frais produire des pièces ou des prototypes simples et flexibles. Les pièces flexibles imprimées en 3D par FDM présentent une bonne élasticité, une bonne résistance aux impacts, une bonne absorption des vibrations ou des chocs et une bonne élongation. Ces qualités font des filaments flexibles de l'impression 3D FDM la solution idéale pour les premiers prototypes d'amortisseurs, d'actionneurs ou d'outils de fin de bras, de boîtiers souples et d'enceintes extensibles.

Cependant, comme le filament flexible conserve certaines de ces propriétés extensibles même à l'état fondu lors de l'extrusion, il y a souvent des problèmes de qualité d'impression lors de l'impression 3D FDM de matériaux flexibles. Les caractéristiques de conception telles que les surplombs et les ponts entraînent souvent des problèmes tels que le filage, une finition de surface inégale, l'encrassement des extrudeuses et des performances mécaniques médiocres. Les pièces imprimées en 3D par FDM n'étant pas chimiquement isotropes dans la direction de l'axe Z, les couches peuvent se séparer pendant l'allongement. Si l'objectif de la pièce est de s'étirer et de rebondir, cette séparation entraînera souvent une défaillance de la pièce. 

En outre, toute secousse accidentelle ou tout écart par rapport à la trajectoire programmée de l'extrudeuse peut nuire au durcissement des filaments souples. Il est donc important de savoir que la machine doit rester parfaitement immobile pendant l'impression, tandis que la buse et l'extrudeuse doivent se déplacer très lentement pour laisser au filament flexible le temps de s'échapper et de durcir.

La plupart des imprimantes 3D FDM sont compatibles avec un certain type de filament flexible. Une bonne pratique pour limiter la recherche d'une imprimante FDM mieux adaptée aux matériaux souples consiste à rechercher une imprimante capable de chauffer l'extrudeuse jusqu'à environ 220 °C et disposant d'un lit chauffé, d'une extrudeuse à entraînement direct (pour minimiser le filage), de vitesses d'alimentation contrôlables (pour modifier la vitesse à laquelle le filament souple est extrudé), et d'un ventilateur de refroidissement.

Les filaments flexibles pour l'impression 3D peuvent tous être classés dans la catégorie des élastomères thermoplastiques (TPE), car ils sont modifiés par la chaleur et présentent des propriétés élastomériques, bien que le terme TPE puisse également désigner un type de filament spécifique. Les cinq filaments flexibles les plus courants pour l'impression 3D sont les suivants : 

TPU (polyuréthane thermoplastique) : le TPU est l'un des types de filaments flexibles les plus courants. Il est solide, peut supporter les chocs et l'usure générale due à l'utilisation, et peut être disponible en différentes couleurs. De nombreux produits qui semblent être en caoutchouc sont en fait fabriqués en TPU. Le TPU est légèrement plus rigide que les autres élastomères thermoplastiques et est donc le filament d'impression 3D flexible le plus facile à imprimer, car il y a moins de risques de filage ou de suintement. L'impression 3D FDM avec un filament TPU flexible est utile pour les premières étapes du prototypage, mais pour les prototypes fonctionnels et les pièces à usage final, ses qualités anisotropes peuvent conduire à des performances inférieures. 

TPC (co-polyester thermoplastique) : le TPC est un filament d'impression 3D flexible à base de polyester qui présente une bonne stabilité thermique et une bonne résistance chimique, mais qui est moins flexible que d'autres TPE. Les pare-chocs, les conduits d'air flexibles et les boîtiers, couvercles et enceintes plus souples destinés à protéger contre la compression ou les chocs sont des exemples courants de pièces TPC. Lorsque vous imprimez avec du TPC, il est important d'amener le matériau à une température ambiante avant de charger l'imprimante, d'utiliser une extrudeuse à entraînement direct et de veiller à ce que la température de l'extrudeuse soit d'au moins 230 °C. 

TPA (polyamide thermoplastique) : le TPA est un copolymère chimique de TPE et de nylon flexible qui est lisse et très flexible. Cette combinaison de deux matériaux d'impression 3D flexibles bien connus permet d'obtenir un filament lisse, doux et souple. Le TPA peut résister à des chocs ou à des pressions répétés et est très durable. Les pièces qui doivent être torsadées, pliées ou étirées de manière répétée peuvent être imprimées en TPA : ces propriétés font du TPA un matériau idéal pour les prototypes fonctionnels, les objets de technologie portable et les composants d'ingénierie. La plupart des filaments TPA ont une dureté Shore d'environ 80A, ce qui est similaire à ce que l'on considère souvent comme du caoutchouc. 

TPE (élastomère thermoplastique) : comme indiqué ci-dessus, le terme TPE peut désigner tous les élastomères thermoplastiques ou un matériau spécifique. Le filament TPE est très élastique et souple, et il est plus difficile à imprimer que son homologue plus rigide, le TPU. Le filament TPE flexible a tendance à couler ou à surchauffer, ce qui l'empêche de conserver la forme de la buse. Il doit donc être imprimé très lentement, avec une imprimante 3D qui peut contrôler facilement et précisément la température de l'extrudeuse. Le filament flexible TPE est un bon choix de matériau pour l'impression 3D d'objets de technologie portable tels que les bracelets ou de biens de consommation tels que les étuis de téléphone qui peuvent être étirés autour de l'appareil. 

PLA souple : le PLA souple est un filament flexible fabriqué à partir de fibres organiques traitées avec des produits chimiques. Il peut facilement prendre une forme rigide, mais reprend sa forme initiale sous l'effet de la pression. En raison de cette rigidité, il est couramment utilisé pour les prototypes de pneus ou les pièces caoutchouteuses résistantes qui doivent conserver leur forme et leur taille. Bien que le PLA souple soit l'un des filaments les plus faciles à imprimer, il est plus susceptible de bloquer l'extrudeuse et la vitesse d'impression doit être réduite. 

Les imprimantes 3D résine, telles que les imprimantes 3D stéréolithographiques (SLA), utilisent un laser ou une autre source de lumière pour polymériser une cuve de plastique liquide, une couche à la fois, et offrent de nombreuses options pour les matériaux d'impression 3D flexibles. 

Les fabricants d'imprimantes 3D résine fabriquent pour la plupart leurs propres matériaux, de sorte qu'il n'est pas aussi facile de les identifier et de les regrouper que les filaments flexibles de l'impression 3D FDM. Cependant, ils partagent tous des caractéristiques et des considérations d'impression similaires et peuvent être utilisés pour une large gamme d'applications dans de nombreux secteurs. 

Le frittage sélectif par laser (SLS) fait référence au processus d'impression 3D par fusion sur lit de poudre, dans lequel un laser fusionne les particules de poudre couche par couche. La poudre inutilisée supporte les pièces pendant l’impression, ce qui permet de créer des modèles complexes interconnectés sans devoir ajouter de structures de support. Comme pour l'impression 3D FDM, les fabricants d'impression 3D SLS proposent des poudres familières et bien connues dans le monde de l'ingénierie, telles que le nylon et le TPU.

L'un des avantages de la fabrication additive est la possibilité de choisir un matériau pour votre application spécifique : il existe un grand nombre de filaments, de résines et de poudres différents. Pour les pièces flexibles imprimées en 3D qui se comportent comme des caoutchoucs, des silicones ou des élastomères thermoplastiques fabriqués traditionnellement, il existe de nombreuses technologies, fabricants et matériaux parmi lesquels choisir. 

L'écosystème SLA de Formlabs rend l'impression 3D résine flexible facile et intuitive grâce à la combinaison d'un matériel fiable et de matériaux spécialisés et avancés développés pour des applications et des secteurs ciblés. Il existe une large gamme de matériaux flexibles disponibles pour les écosystèmes Form 3/B/+ et Form 3L/3BL, y compris des matériaux biocompatibles qui permettent de nouvelles applications dans le domaine des soins de santé et de la fabrication de dispositifs médicaux. Les étapes de post-traitement sont également gérées proprement et simplement par des solutions de post-traitement automatisées, ce qui rend l'impression 3D résine flexible facile et propre.